FDM-Druckverfahren

Schwarze Hirsch-Wandskulptur vor blauer Wand. 3D-gedrucktes Design.

Der günstige Weg, um Ideen schnell greifbar zu machen

Es gibt inzwischen viele unterschiedliche Druckverfahren. Dabei hat sich das FDM-Verfahren als einfaches und unkompliziertes Mittel der Wahl herausgestellt. Zwar ist die Qualität/Auflösung geringer als beim SLA-Verfahren, jedoch ist es das vorrangige Ziel im Rapid Prototyping, günstig ein Modell in kurzer Zeit zu realisieren. In der Regel hängt davon eine Entscheidung zur Serienproduktion oder weiteren Optimierungsaufgaben ab.
Leider werden viele Ingenieure, Architekten und weitere Creators von 3D-Prototyping abgeschreckt, da horrende Preise und teure SLA-Verfahren angeboten werden. Wir sind der Meinung, dass 3D-Druck nicht teuer sein darf und gehen den Schritt, teure Verfahren zu verkaufen, nicht mit.

Wichtige Aspekte zum FDM-Druckverfahren

Jedes Herstellungsverfahren hat Vor- und Nachteile. Beim FDM-Druckverfahren handelt es sich um ein einfaches Herstellungsverfahren, bei dem die Schichten nach und nach von unten nach oben aufgetragen werden.
Es ist daher notwendig, dass Du bei deinen Daten, welche gedruckt werden sollen, folgende Punkte beachtest.

Stringing – bei feinen und offenen Strukturen wichtig

Trotz guter Kalibrierung kann es vorkommen, dass während des Druckens feine Fäden zwischen den Objektoberflächen entstehen. Diese werden nach dem Druck entfernt. Jedoch kann es bei sehr filigranen Modellen immer wieder dazu kommen, dass sich größere Fäden bilden und die Oberfläche aufrauen. Das Bild zeigt ein ehr extremes Beispiel, welches sehr selten vorkommt.

Stringing im 3D-Druck sind kleine Unebenheiten

Überhänge vermeiden

Überhänge sollten beim 3D-Druck so gut es geht vermieden werden. Es wird empfohlen, bei großen Überhängen das 3D-Modell in kleinere Modelle aufzuteilen, so dass die Druckbarkeit gegeben ist. Sollte das nicht möglich sein, wird automatisch eine Stützstruktur mitgedruckt, die anschließend händisch entfernt oder abgeschnitten werden muss. Von diesem Prozess können Rückstände auf dem eigentlichen Druckobjekt zurückbleiben. Ein Beispiel ist das Gestänge des vorgestellten Getriebes. Es fehlte eine ausreichende Grundfläche, so dass ein massives Stütz-Konstrukt angebracht werden muss.

gedruckte Überhänge im 3D-Druck

Sichtbare Schichten

Das FDM-Verfahren trägt die Schichten von unten nach oben auf, so dass das gewünschte Objekt entsteht. Diese Schichten sind sichtbar und charakteristisch für das Verfahren.

sichtbare Schichten im 3D-Druck

FDM-Druckverfahren im Detail

Im Folgenden soll etwas tiefer in das Thema FDM-Druck eingegangen werden. FDM steht für „Fused Deposition Modeling“ – darunter versteht man das aufschmelzen und ablegen von einzelnen Kunststoffschichten und ist das wohl bekannteste Verfahren der additiven Fertigung und des 3D-Drucks. Manchmal wird das Verfahren auch „Fused Filament Fabrication“, kurz „FFF“ genannt. Das FDM-Verfahren beruht auf eine so genannte Materialextrusion (siehe ISO/ASTM 52900:2015). In der Regel bezieht man sich bei diesem Verfahren auf eine Materialextrusion von Kunststoff. Doch es kann generell jedes Material extrudiert werden, welches aufschmelzbar ist (z. B. auch Glas). Neben dem FDM/FFF-Verfahren gibt es in der additiven Fertigung noch weitere bekannte Verfahren wie Photopolymerisation, Binder Jetting, Material Jetting, Powder Bed Fusion, Sheet Lamination oder auch Directed Energy Deposition.

Schritte vom virtuellen Modell zum fertigen Bauteil

Um ein Modell in 3D drucken zu können, wird eine virtuelle Vorlage in Form von CAD- oder anderen 3D-Daten benötigt. Das Modell kann beispielsweise direkt in einer 3D-Modellierungssoftware konstruiert werden oder in Form eines 3D-Scans bereitgestellt werden (Reverse Engineering). Das CAD-Modell wird anschließend in ein Format umgewandelt, welches von einem Slicing-Programm gelesen werden kann. Die gängigen Dateiformate hier für sind STL, OBJ, AMF und 3MF, wobei das STL-Format hiervon am häufigsten verwendet wird.

Die Slicingsoftware zerlegt das 3D-Modell in einzelne Schichten und erzeugt die Druckanweisungen, mit dessen Hilfe der 3D-Drucker das Modell reproduzieren kann. Neben dem Zerlegen in einzelne Schichten erstellt der Slicer auch eine Innenfüllung (zur Einsparung von Druckzeit und Material), Stützstrukturen bei Überhängen und legt die Bewegungen des Druckkopfs fest. Zudem wird hier die notwendige Extrusionstemperatur je nach Material festgelegt.

Unterschiedliche Typen von 3D-Druckern

Immer wieder bringen die Hersteller von 3D-Druckern neue Modelle auf den Markt. Doch diese lassen sich grundsätzlich in folgende Typen unterteilen (bezogen auf das FDM-Druckverfahren):

Kartesischer FDM-Drucker: Dieser Drucker dürfte der bekannteste Typ sein und nutzt zum 3D-Druck das kartesische Koordinatensystem (X-, Y- und Z-Achse). Dieser Druckertyp lässt sich nochmals unterteilen: Bei manchen Druckern bewegt sich der Druckkopf in die X- und Y-Achse und die Druckplattform realisiert die Z-Achse. Beim zweiten Typ bewegt sich der Druckkopf in der X- und Z-Achse und die Plattform realisiert die Bewegungen der Y-Achse. Beim dritten Typ bewegt sich der Druckkopf in der X-, Y- und Z-Achse und die Druckplatte ist stationär. Letztere Lösung wird vor allem für größere Drucker verwendet.

Delta FDM-Drucker: Bei diesen Druckern hängt der Druckkopf an drei Armen, die von vertikalen Schienen bewegt werden. Die Plattform bleibt dabei stationär. Der Bauraum ist dabei ehr zylindrisch.

Polare FDM-Drucker: Diese Art von 3D-Druckern nutzen das polare Koordinatensystem. Die Druckplattform ist rund, weshalb sich diese Art von Drucker ehr für kleine oder zylindrische Bauteile eignet.

Roboterarme als FDM-Drucker: Bei dieser Art von 3D-Druckern handelt es sich um Roboterarme, an deren Ende sich ein Druckkopf befindet. Durch den sehr beweglichen Druckkopf können auch komplexe Geometrien realisiert werden.

Kunststoffauswahl für das FDM-Druckverfahren

Inzwischen gibt es für den FDM-Druck eine sehr große Auswahl an unterschiedlichen Druckmedien und Kunststoffen. Die gängigsten Kunststoffe sind PLA und ABS. Doch je nach Anspruch und notwendiger Materialeigenschaft kann es sinnvoll sein, weitere Kunststoffe in der Auswahl zu berücksichtigen. Anbei ein paar Beispiele:

  • Einfach zu drucken: PLA
  • Geringe Materialkosten: PLA, ABS
  • Details: PLA, ULTEM
  • Wärmebeständigkeit: ULTEM (ggf. auch PC)
  • Schlagfestigkeit: TPU

Richtige Prozessparameter für bessere Druckergebnisse

Für einen qualitativ hochwertigen 3D-Druck ist es notwendig, die passenden Prozessparameter zu kennen. Da das Thema sehr umfassend ist, sollen hier nur kurz die wichtigsten Prozessparameter angesprochen werden.

Extrusionstemperatur

Als wichtigster Parameter für das FDM-Druckverfahren wäre zunächst die Extrusionstemperatur zu nennen. Abhängig vom verwendeten Material und des Materialherstellers, gibt es ein gewisses Prozessfenster, in dem das Material seine notwendige Flüssigkeit für den 3D-Druck erhält. Je wärmer der Kunststoff erwärmt wird, desto leichter fließt er aus dem Druckkopf heraus. Eine zu hohe Drucktemperatur hingegen kann zu einer Degradation (Zersetzung) des Molekülketten führen, wodurch das Material verkohlt. Wichtig bei einem Materialwechsel (beispielsweise von ABS zu PLA) ist es, bei einer ausreichend hohen Temperatur das neue Material durch die Druckdüse zu spülen. Sollten sich noch Reste (beispielsweise ABS) in der Düse befinden und wird der Druckkopf mit dem niedrig schmelzenden PLA bei zu geringer Temperatur durchgespült, könnten sich restliche ABS-Reste lösen und ohne aufzuschmelzen die Düse verstopfen.

Schichthöhe 

Die Schichthöhe spielt vor allem bei der Präzision von geneigten Oberflächen eine Rolle. Je feiner die Schichthöhe eines Modells ist, desto länger dauert zwar der Druck. Jedoch tritt der Treppen-Effekt hierdurch weniger prägnant hervor.

Bauteilorientierung

Um ein gewünschtes Modell möglichst mit einer sauberen Oberfläche zu drucken, ist die Bauteilorientierung so zu wählen, dass möglichst wenig Stützstrukturen aber eine gute Druckplattenhaftung realisiert werden. So zeigt das folgende Beispiel, wie das U-förmige Modell zunächst ohne (links), mit wenig (mittig) oder mit vielen Stützstrukturen gedruckt wird (rechts). Bei Überhängen wird die gedruckte Bahn durch eine Stütze unterstützt, die sich nach dem Druck sehr leicht entfernen lässt.

U-förmig gedrucktes Bauteil hochkant gedrucktes Bauteil mit kleinen Überhang gedrehtes Bauteil mit großem Überhang, der viele Stützstrukturen benötigt.

Innenfüllung

Um Material und Druckzeit zu sparen, werden die meisten Modelle mit einer Innenfüllung gedruckt. Dabei gibt es unterschiedliche Typen von Innenfüllung, welche jeweils nahezu stufenlos verdichtet werden kann, um eine gewünschte Bauteilstabilität zu gewährleisten.

Typischerweise verwendet man 2D-Innenfüllung wie eine Waben-, Geradlinige-, Konzentrische-, Gitter- oder Dreiecksstruktur. Diese 2D-Strukturen sind in jeder Bauteilhöhe gleich und ziehen sich vom Boden bis zum oberen Bereich der Modelle. Daneben gibt es 3D-Innenfüllungen. Diese variieren über die Höhe des Modells. Darunter zählen Gyroid-, Oktett- und Kubische Struktur.

Wabenstruktur im Volumen zur Materialeinsparung

Druckbetthaftung

Manche Modelle haben keine große Grundfläche, auf der sie aufgebaut werden können. Manchmal verzieht sich auch das Material sehr leicht und sorgt für ein Loslösen um Druckbett. In diesem Fall es ist notwendig, zusätzliche Strukturen neben dem Modell zu drucken. Hierzu zählen vor allem Skirt, Brim oder Raft-Strukturen.

Skirt ist eine Linie mit Abstand zum Modell, welches lediglich den Druckkopf reinigt und dafür sorgt, dass andere Filamentelemente herausgespült werden.

Unter Brim versteht man eine breite Fläche um das Modell herum, welches für zusätzliche Druckplattenhaftung sorg. Das ist vor allem bei Kunststoffen sinnvoll, welche sich während des Drucks leicht verziehen.

Ein Raft ist ein Art Fundament unter dem eigentlichen Modell, welches die Grundfläche des zu druckenden Bauteils deutlich vergrößert. Vor allem für Modelle mit sehr kleiner Grundfläche ist dies ein wichtiger Druckparameter.

Temperatur Druckplattform

Mit Hilfe einer temperierten Druckplattform kann man nicht nur einen thermischen Verzug des Modells verringern oder sogar ausschließen. Es lässt sich damit vor allem ein stabiler Halt des Modells realisieren, damit es sich während des Drucks nicht von der Bauplattform löst. Dabei wird der Kunststoff beim Drucken der ersten Schicht etwas erwärmt, damit die Adhäsion verbessert wird.

4D-Druck und das FDM-Druckverfahren

Unter dem 4D-Druck versteht man vor allem funktionale Materialien, die mit Hilfe von 3D-Druckern hergestellt werden. Die vierte Dimension ist hierbei die Zeitdimension, in der sich das Bauteil in seiner Funktion oder Geometrie ändert. Hierbei geht es vor allem um Formgedächtnispolymere.

Formgedächtnispolymere haben die Eigenschaft, dass sie ihre Form mit Hilfe eines Temperatureintrags verändern können.

Der Hauptanwendungsbereich von Formgedächtnispolymere sind Sensoren, mechanische Aktoren, selbstfaltende Bauteile, mechatronische Anwendungen (Roboter), Arzneimittelabgabe oder auch smarte Textilien.

Normen und Standards

Anbei folgt eine nicht abschließende Liste von Normen, welche generell für die additive Fertigung relevant sind und eine erste Orientierung über den Umfang geben:

  • ASTM F 2971, Standard Practice for Reporting Data for Test Specimens Prepared by Additive Manufacturing
  • ASTM F 3091/F 3091M, Standard Specification for Powder Bed Fusion of Plastic Materials
  • DIN 65122, Aerospace series — Powder for additive manufacturing with powder bed process — Technical delivery specification
  • DIN 65124, Aerospace series — Technical specifications for additive manufacturing of metallic materials with the powder bed process
  • DIN EN ISO/ASTM 52901:2018-12, Additive manufacturing — General principles — Requirements for purchased AM parts
  • E DIN EN ISO/ASTM 52910:2019-05, Additive manufacturing — Design — Requirements, guidelines and recommendations
  • DIN EN ISO/ASTM 52921, Standard terminology for additive manufacturing — Coordinate systems and test methodologies
  • VDI 3405 Sheet 1, Additive manufacturing processes — Laser sintering of polymer parts — Quality control
  • VDI 3405 Sheet 3, Additive manufacturing processes, rapid manufacturing — Design rules for part production using laser sintering and laser beam melting
  • ASTM F 3122, Standard Guide for Evaluating Mechanical Properties of Metal Materials Made via Additive Manufacturing Processes
  • DIN 35224, Welding for aerospace applications — Acceptance inspection of powder bed based laser beam machines for additive manufacturing
  • DIN 65123, Aerospace Series — Methods for inspection of metallic components, produced with additive powderbed fusion processes
  • DIN EN 10204, Metallic products —Types of inspection documents
  • DIN EN ISO 17296-3, Additive manufacturing — General principles — Part 3: Main characteristics and corresponding test methods
  • VDI 3405, Additive manufacturing processes, rapid manufacturing — Basics, definitions, processes
  • VDI 3405 Sheet 2, Additive manufacturing processes, rapid manufacturing — Beam melting of metallic parts — Qualification, quality assurance and post processing
  • VDI 3405 Sheet 2.2, Additive manufacturing processes — Laser beam melting of metallic parts — Material data sheet nickel alloy material number 2.4668
  • VDI 3405 Sheet 6.1, Additive manufacturing processes — User safety on operating the manufacturing facilities — Laser beam melting of metallic parts
  • DIN SPEC 17071, Additive Fertigung – Anforderungen an qualitätsgesicherte Prozesse für additive Fertigungszentren